KR100330354B1 - 핵연료집합체의 바가지형 혼합날개 지지격자체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료봉(25)을 지지하는 지지격자 스프링이 냉각재의 회전유동을 발생시키는 혼합날개(22)의 역할도 동시에 수행하도록 하는 지지격자체(10)에 관한 것으로서, 핵연료봉(25)을 지지하는 스프링을 바가지형태의 혼합날개(22)를 통해 한 격자(10a) 공간당 아랫부분 4곳과 일정 각도만큼 돌아간 윗부분 4곳, 총 8곳에 배열하는 구조로 형성하고 구조적으로 격자공간 외벽을 잘라내지 않고 스프링을 형성하며 하부의 냉각재가 상부로 흘러가면서 회전되도록 하는 특징이 있으며, 이러한 본 발명에 의하면 핵연료봉(25)의 지지성능을 향상시켜서 긍국적으로 프레팅 마모 저항성을 높히고 격자공간 외벽을 잘라내지 않게 되므로 지지격자체(10)의 기계적 강도를 향상시키며 지지격자체(10)의 교차부분에서 회전유동을 발생시키므로 핵연료집합체의 열효율을 높히게 되는 것이다.

Description

핵연료집합체의 바가지형 혼합날개 지지격자체{Nuclear fuel spacer grid with dipper vane}

본 발명은 핵연료집합체의 구조를 이루는 지지격자체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 핵연료봉 사이의 간격을 유지하며 적절한 힘으로 핵연료봉을 지지하고 핵연료봉의 진동에 의한 마모를 방지하여 냉각수의 원활한 흐름 및 높은 혼합효과를 보장하며 원자로 비상시에 구조강도를 유지하는 등의 기능을 갖춘 일체형으로 제작되는 바가지형 혼합날개 지지격자체에 관한 것이다.

일반적으로 원자로 내에서 균일한 간격을 유지하며 배열되어 있는 핵연료봉 (125)은 도 1에 도시된 바와 같이, 예컨대 가로 14열, 세로 14열 (14×14)에서부터 가로 17열, 세로 17열 (17×17)과 같이 정사각형으로 배열되어 종래의 통상적인 경수로용 핵연료집합체(101)를 형성하게 된다. 이러한 경수로용 핵연료집합체(101)는 다수의 격자판이 계란판 형상으로 용접되어 형성되는 지지격자체(110), 핵연료집합체의 상하부에서 외부 하중을 전달하고 지지하는 상하단고정체(111,112) 그리고 지지격자체(110) 및 상하단고정체(111,112)를 연결하여 핵연료집합체(101)의 기본적인 구조를 형성하는 안내관(113) 등의 구조재와 핵분열하여 열을 발생하는 우라늄 소결체(114)를 지르칼로이(Zircaloy) 피복관내에 담고 있는 핵연료봉(125) 등으로 구성되어 있다.

지지격자체(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 격자판들에 있는 절개된 틈사이에 각각의 격자판 (115 및 116)이 종횡으로 끼워져 교차점(117)을 형성하고, 형성된 교차점들을 용접한 후 가장 외곽을 또다른 판(118)으로 둘러쌈으로써 만들어진다. 이렇게 형성된 도 3에 도시된 바와 같은 지지격자체(110) 각각의 격자 공간에는 격자판(115 및 116)내에 생성되거나 격자판에 부착되는 비교적 탄성력이 있는 스프링(119)과 그 보다는 강성도가 훨씬 큰 단단한 돌출부(120 ;dimple)가 존재하여 이것들이 한쌍을 이루어 하나의 핵연료봉(125)을 사방에서 지지하며, 이런 격자체(110)를 핵연료봉(125)의 길이방향으로 다수 배열하여 핵연료봉(125)을 여러 지점에서 지지하는 이른바 다점지지 형태로 핵연료봉(125)을 지지하게 된다.

국내에 있는 경수로용 상용 발전소의 원자로는 물을 냉각재로 사용하여 핵연료봉(125)에서 발생하는 열에너지를 수용하고 이를 전기 에너지로 변환한다. 이때 액상의 냉각재(물)는 원자로의 하부 노심 지지판의 개구를 통하여 각 핵연료집합체(101)의 핵연료봉(125)사이의 수로를 따라 상부로 흐르면서 핵연료봉(125)으로부터 발생되는 열 에너지를 수용하게 된다. 이때 수로의 모양은 도 4에 도시된 바와 같은 형태와 유사하게 되어 있다.

원자로내 냉각재의 온도는 핵연료집합체내를 흐르는 위치에 따라 다르게 되어 전체적으로 냉각재의 온도분포는 비균일하게 된다. 이러한 이유는 단면이 원형인 열을 발산하는 핵연로봉이 사각단면내에 배열되기 때문이다. 이에 따라, 냉각재의 온도분포를 가급적 균일하게 하여 국부적인 과열상태를 피하고, 원자로심 출력이 최대가 되도록 냉각재의 온도분포 균일화를 위하여 냉각재 흐름을 혼합하는 설계개념이 태동하게 되었다. 이러한 개념의 지지격자체는 대한민국 특허 공보번호 제91-7921호 등에 서술되어 있다. 이 공보에 개시된 발명은 지지격자체의 상부에 “혼합날개”또는“베인”이라 부르는 냉각재 혼합용 날개를 부착하여 종방향으로 흐르는 냉각재에 횡방향 흐름을 부가적으로 갖게 됨으로써 냉각재에 난류도를 증가시켜 각 수로간의 냉각재가 섞이게 하는 방법을 이용한다.

또한, 지지격자체(110)의 기능 설계에 있어서 중요한 것은 핵연료봉(125)을 지지하는 지지성능 향상 방안과 지지격자체(110) 자체의 횡방향 좌굴강도 증가 방안이다. 지진에 의한 하중은 원자로내에서 핵연료집합체(101)를 횡방향으로 흔들어 인접 핵연료 간에 간섭을 발생시키고, 따라서 지지격자체(110) 상호간의 충격을 발생시키게 된다. 이에 대한 설명은 미합중국 특허 제4,058,436호에 서술된 바와 같다. 지지격자체(110) 횡방향 좌굴강도의 약화는 지지격자체 격자벽면에 스프링(119)과 돌출부(120)를 형성시키기 위하여 판금 등으로 잘려 나가는 부분에 의해 충격에 저항하는 유효단면적의 감소에 기인한다. 따라서, 단일판으로 스프링(119)과 돌출부(120)를 만드는 기존의 설계에서는 필연적으로 횡방향 좌굴강도의 약화를 예상할 수 있다.

핵연료봉(125)은 지지격자체(110)내에서 스프링(119)과 돌출부(120)라는 지지기구에 의하여 자신의 정위치에 고정되는데 냉각재의 횡방향 유동으로 야기된 진동은 핵연료봉(125)과 지지격자체 사이에 빠르고 주기적인 간섭을 발생시키게 되고 이러한 장시간의 간섭에 의해 핵연료봉(125) 피복관의 모재가 이탈되어 피복관 두께가 감소되다가 결국은 지지격자체(110)와의 접촉부위(스프링 또는 돌출부)에서 피복관이 관통되는 이른바 유체유발 진동에 의한 핵연료봉 프레팅 마모 손상을 초래할 수도 있다. 지금까지 알려진 바에 의하면, 프레팅 마모 손상은 핵연료봉을 지지하는 스프링-핵연료봉-돌출부 사이에 틈이 존재하는 경우 발생한다고 한다. 이러한 프레팅 마모 현상은 결국 핵연료봉의 지지성능을 향상시키는 구조에 의해서 방지가 가능하므로 현재의 1개의 스프링 4개의 돌출부, 혹은 2개의 스프링 4개의 돌출부의 지지구조보다 더욱 견고한 지지성능을 갖는 구조의 필요성도 대두되고 있다.

따라서 본 발명은 앞에 기술된 문제점을 보완 및 개선하고 열효율을 증진시키기 위하여 안출것으로서, 냉각재의 열효율을 높히기 위하여 혼합날개를 부착하되 상부와 하부에 동시에 부착함으로써 하부의 날개에 의하여 격자내로 들어오는 냉각재의 유입 방향을 조절하고 상부 혼합날개에 의하여 냉각재를 회전시켜 유출함으로써 더욱 능동적으로 강력한 회전유동을 발생시킬 수 있도록 하는 지지격자체를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 핵연료봉 지지를 위한 스프링과 돌출부를 만들기 위하여 격자판내에서 잘라내는 부분이 존재하지 않도록 함으로써 자연적으로 횡방향 좌굴 강도와 같은 지지격자체 자체의 기계/구조적 성능이 향상되도록 하고, 얇은 격자판을 사용하여 기존의 지지격자체와 동일한 강도를 보장하면서 유로저항 단면적을 낮추어 열수력적 성능을 추가로 향상시킬 수 있도록 하는 지지격자체를 제공하는 데 다른 목적이 있다.

그리고, 본 발명은 핵연료봉을 지지하는 지지점의 수를 늘리고 단일격자 공간내의 상하 두곳에서 지지하도록 하여 핵연료봉의 지지성능을 향상시켜서 프레팅 마모 저항성을 높힐 수 있도록 하는 지지격자체를 제공하는 데 또 다른 목적이 있다. 이러한 지지구조에 의하면, 핵연료봉과 접촉하는 부위를 모두 스프링으로 배치한 특징이 있으므로 종래 스프링-핵연료봉-돌출부 구조가 스프링이 존재하는 방향으로만 핵연료봉의 변위를 수용하는데 반하여 양 방향으로 모두 변위를 수용할 수 있다.

도 1은 일반적인 가압 경수로용 핵연료집합체를 보인 사시도.

도 2는 도 1에 도시된 핵연료집합체의 종래 지지격자체를 보인 부분 상세 사시도.

도 3은 도 1에 도시된 종래 지지격자체 하나의 격자공간내에 있는 핵연료봉을 보인 부분 상세 정면도 및 그 평면도.

도 4는 도 1에 도시된 종래 냉각재 통로를 도시하기 위한 4개의 지지격자공간과 핵연료봉의 부분 상세 평면도.

도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 핵연료집합체의 바가지형 혼합날개 지지격자체의 단일격자 공간을 도시한 부분 상세 평면도.

도 5b는 도 5a의 사시도.

도 6은 도 5에 도시되는 지지격자체를 형성하는 격자판을 보인 사시도.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3×3 배열 지지격자체를 보인 사시도.

도 8a는 도 7의 지지격자체를 형성하는 격자판을 보인 정면도.

도 8b는 도8a에 도시된 격자판의 용접부위가 변형된 예를 보인 정면도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

10 : 지지격자체 10a : 단일격자

15, 16, 315, 316 : 격자판 22 : 바가지형 혼합날개

25 : 핵연료봉 226, 326 : 슬롯

227, 327, 328 : 용접탭

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 스프링과 돌출부를 만들기 위하여 모재를 잘라내지 않고, 종래와 같이 지르칼로이(Zircaloy)나 인코넬(Inconel)로 다수의 단위스트립이 병렬로 연속배열되게 만들어 가로와 세로로 배열되는 다수의 격자판을 슬롯으로 끼워 용접하여 지지격자체를 형성하되; 상기 격자판을 구성하는 각 단위스트립의 상하단부에 각각 일면이 오목으로 형성되고 그 배면이 볼록으로 형성되는 바가지형 혼합날개가 좌우로 두개씩 총 4개가, 각단부에서 단위스트립 면에 대하여 서로 반대방향으로 볼록 부분이 단일격자의 중심을 향해 돌출하도록, 상하단간의 배열이 서로 반대로 엇갈리도록 구비함으로써; 열수력적으로 냉각재를 섞는 혼합효과를 극대화함과 동시에 핵연료봉을 건전하게 지지하면서 횡방향 좌굴 강도와 같은 기계/구조적 성능을 향상시킨 지지격자체를 제공한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면에 따라 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 5a와 도 5b는 도 7에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 지지격자체(10)가 1개의 핵연료봉(25)을 지지하는 단일격자(10a)를 도시한 것이다. 이 단일격자(10a)는 핵연료봉(25)을 중심으로 하는 정사각 형태로 4면의 단위스트립으로 구성되는 것으로, 도 6에 도시된 바와 같은 단위스트립(15 또는 16)을 사방 4면을 따라 배치한 구조가 된다.

도 6에 도시된 단위스트립(15)(16)의 상하부에는 각각 일면이 오목으로 형성되고 그 배면이 볼록으로 형성되는 바가지형 혼합날개(22)가 좌우로 두개씩 총 4개가, 각단부에서 단위스트립 면에 대하여 서로 반대방향으로 볼록 부분이 단일격자의 중심을 향해 돌출하도록, 상하단간의 배열이 서로 반대로 엇갈리도록 형성하였기 때문에, 4면의 단위스트립(15)(16)이 형성하는 단일격자(10a)의 공간내에서 냉각재는 자연스럽게 각도가 변하여 상부(하류)쪽의 모서리 부분에서 회전유동을 유도하는 작용을 하게 된다.

상기 바가지형의 혼합날개(22)는 오목한 부분으로 냉각재를 회전시키는 열수력적인 기능을 수행함과 동시에 그 뒷면의 볼록한 부분으로 핵연료봉(25)을 지지하는 역할도 수행하게 되는데, 전술한 바와 같이 상하단부에 각각 두개씩 서로 반대방향으로 돌출하고 또한 상하단부간의 배열이 서로 반대로 엇갈려 있기 때문에, 4면의 단위스트랩(15)(16)이 형성하는 단일격자(10a)의 내부에는 그 중심을 향하는 상하부 4개씩 총 8개의 바가지형 혼합날개가 위치하게 되며, 따라서 단위격자의 중심을 향하는 각 바가지형 혼합날개의 볼록부분이 장입되는 핵연료봉(25)과 접촉하여 스프링 역할을 함으로써 8점지지를 수행하게 되며, 또한 상하단부에 각각 형성되는 4개씩의 바가지형 혼합날개(22)는 상하간의 배열이 원주방향을 따라 소정의 각도를 가지고 교대로 위치하도록 됨에 따라 더욱 안정적으로 핵연료봉(25)을 지지하게 된다. 이러한 바가지형 혼합날개(22)에 의한 핵연료봉(25)의 지지구조는 도 5a 및 도 5b에 잘 나타나있다.

도 7에 도시된 지지격자체(10)는 도 5a 및 도 5b에 도시된 단일격자(10a)를 3×3 배열로 적용한 실시예를 보인 것으로서, 핵연료봉(25)은 도면에 의한 설명을 위하여 하나의 단일격자(10a) 공간내에만 위치한 형태로 도시되어 있다. 이러한 단일격자(10a)의 배열은 실제 설계에서 원하는 배열만큼, 예를 들어 14×14, 16×16 혹은 17×17 등으로 확장이 가능하다.

도 8a 및 도 8b에 도시되는 바와 같이, 이러한 단일격자(10a)를 형성시키기 위하여 사용되는 다수의 단위스트립(15,16)으로 구성되는 각 격자판은 각 단위스트립(15)(16)의 경계부에 형성되는 슬롯(226,326)의 위치가 하부에서 상부를 향해 또는 상부에서 하부를 향해 형성되느냐에 따라 크게 2종류로 구분되며, 각각의 격자판을 슬롯(226,326) 부위로 끼워 십자형으로 교차시켜 조립할 수 있게 된다. 이와 같이 교차하는 형태로 끼워진 격자판들의 교차점은 기존 지지격자체와 같이 도 8a에 도시된 슬롯(226) 끝 부분에 마련한 용접탭(227)을 통하여 용접되거나, 도 8b와 같이 슬롯(326) 중간부위에 반달형 용접탭(327,328)을 통하여 용접하는 변경도 가능하다. 슬롯(326) 중간부위에 용접탭(327,328)을 두는 경우에는 교차점의 거의 끝부분까지 혼합날개(22)로 이용할 수 있으므로, 보다 강력한 회전유동을 발생시킬 수 있게 된다. 용접탭(227)(327,328)이 슬롯(326)의 끝부분에 있던지 슬롯(326)의 중단부분에 있던지 용접은 기존 지지격자체 제조에서 제조성이 입증된 티그(TIG) 혹은 레이저 용접 등을 이용할 수 있게 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 지지격자체(10)에 의하면, 각단위스트립(15,16)(315,316)의 상하단에 형성된 바가지형 혼합날개(22)의 볼록한 부분이 핵연료봉(25)을 지지하는 역할도 수행하게 되므로, 별도의 스프링을 만들기 위하여 격자판(15,16)(315,316) 벽면으로부터 따낼 필요가 없기 때문에 유효단면적의 감소가 없어 지지격자체 자체의 강도를 향상시킬 수 있게 된다.

더욱이, 각 단위스트립(15,16)(315,316)의 일부를 따내지 않아도 된다는 것은 지지격자체내에서 냉각재의 불필요한 횡류발생을 막을 수 있으므로 지지격자체를 통과하는 냉각재의 흐름을 원활하게 하여 핵연료봉(25)의 부가적인 진동을 방지하게 된다.

그리고, 단위격자(10a)의 상하단에 돌출 형성된 바가지형 혼합날개(22)를 통해 단위격자(10a) 공간내의 상하부에서 각 4점씩 총 8점에서 핵연료봉(25)을 지지하는 것과 같이 지지점의 수를 늘리는 구조를 통해 지지성능을 향상시킴으로써 핵연료봉(25)을 충분히 지지하지 못함으로 발생하는 핵연료봉(25)의 프레팅 마모 손상을 최소화할 수 있게 된다. 특히, 이러한 지지성능은 한 방향으로만 변위를 수용하는 기존의 스프링-핵연료봉-딤플구조를 양 방향으로 변위를 수용하는 스프링-핵연료봉-스프링으로 구조화함으로써 더욱 향상된다.

또한, 하단부의 바가지형 혼합날개(22)에 의해 단위격자(10a) 공간내로 유입되는 냉각재의 양과 방향을 조절하고, 이 냉각재는 상단부의 혼합날개(22)와 방향의 조화를 이루어 지지격자체 끝단에서 강력한 회전유동이 발생하도록 한다. 이러한 회전유동이 발생하는 원리는 지지격자체의 하부와 상부에 있는 바가지형 혼합날개(22)를 서로 엇갈리게 함으로써 지지격자체를 구성하는 각 단위격자(10a)의 공간부가 마치 길이방향으로 비틀어 놓은 긴 관과 같게 되고, 이 긴 관과 같은 단위격자(10a)의 공간부를 통과하는 냉각수는 아주 먼 거리까지 그 관성을 유지할 수 있게 된다.

이와 같은 회전유동은 이미 잘 알려진 바와 같이 핵연료봉(25)에서 냉각재로의 열전단 효율을 높혀서 원자력 발전소의 열출력을 향상시키는 효과를 기대할 수 있게 된다.

이상에서, 살펴본 바와 같이 본 발명은 핵연료집합체의 효율적인 운용과 동시에 핵연료집합체의 손상원인의 하나인 핵연료봉 프레팅 마모 발생 가능성을 낮출 수 있게 되고, 원자로 비상시에 중요한 기계적 건전성을 향상시켜서 원자력 발전소의 안전성을 제고시킴으로써 간접적으로 사회, 경제적인 이득을 기대함과 동시에 열수력적으로 열효율을 향상시켜서 원자력발전에 의한 직접적인 이득을 기대할 수 있게 된다.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 핵연료집합체의 핵연료봉(25)을 지지하기 위하여 다수의 격자판을 종횡으로 배열하여 조립함으로써 각각 핵연료봉이 장입되는 다수의 단일격자를 구비하는 핵연료집합체용 지지격자체(10)에 있어서,

   상기 격자판은 다수의 단위스트립이 병렬로 연속배열되도록 형성되고, 각 단위스트립간의 경계부에 격자판들의 교차결합시 서로 격자형태로 끼워지기 위한 슬롯(226)(326)이 종방향으로 상부 또는 하부로부터 각각 형성되며, 상기 각 슬롯상의 소정의 위치에 조립시 상기 격자판을 서로 용접하여 지지격자체를 구성하기 위한 용접탭(227)(327,328)이 형성되며,

   상기 단위격자판 각각의 상/하단부에는 일면이 오목으로 형성되고 그 배면은 볼록으로 형성되는 바가지형 혼합날개(22)가 각단부에 두 개씩 총 4개가, 각단부에서 단위스트립 면에 대하여 서로 반대방향으로 각각의 볼록부분이 인접 단위격자(10a)의 중심을 향해 돌출하도록, 상하단간의 배열이 서로 반대로 엇갈리도록 구비되어 하부로부터 상부로 흐르는 냉각재를 자연스럽게 회전시켜 상부 교차점에서 회전유동을 발생시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 하는 지지격자체.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서, 상기 바가지형 혼합날개(22)는 오목한 부분으로는 냉각재를 회전시키는 역할을 하면서 그 뒷면의 볼록한 부분으로 핵연료봉(25)을 지지하는 스프링으로 이용되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 지지격자체.
4. 제1 항에 있어서, 상기 바가지형 혼합날개를 각각 4개씩 구비한 4면의 단위스트립으로 형성되는 단일격자(10a)는 내부에 장입되는 핵연료봉을 스프링-핵연료봉-스프링과 같은 순서의 구조로 상하 각 4군데씩 총 8지점에서 지지하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 지지격자체.
5. 삭제